郭 立，何 峰，梁 艷，韋 翔，張 丹

(國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司烏魯木齊供電公司，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引 言

5G網(wǎng)絡(luò)方式分為非獨(dú)立組網(wǎng)方式(non-standalone,NSA)和獨(dú)立組網(wǎng)方式(standalone,SA)兩種。NSA是5G和4G LTE的聯(lián)合組網(wǎng)，SA是獨(dú)立的5G核心網(wǎng)絡(luò)，三家運(yùn)營(yíng)商選擇NSA/SA雙?；?。在技術(shù)發(fā)展方面，NSA技術(shù)成熟，現(xiàn)已商用化，而SA尚處于建設(shè)初期；在網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積方面，NSA實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)50余個(gè)城市覆蓋，SA則需軟、硬件重建，大面積覆蓋還需要時(shí)間；在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)方面，NSA是最終的商用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，SA尚未確認(rèn)。全球大部分國(guó)家都會(huì)從NSA組網(wǎng)逐步過渡到SA組網(wǎng)，SA組網(wǎng)方式才是公認(rèn)的5G最終形態(tài)[1-4]。

國(guó)內(nèi)外5G技術(shù)賦能于大眾用戶和垂直行業(yè)，場(chǎng)景應(yīng)用涵蓋交通、農(nóng)業(yè)、水文、煤礦、醫(yī)療、教育等各個(gè)方面[5-11]。有些科研院所及企業(yè)也已開展了5G配電網(wǎng)線路縱差保護(hù)測(cè)試。文獻(xiàn)[12]提出一種基于5G無線通信的配電網(wǎng)拓?fù)渥赃m應(yīng)差動(dòng)保護(hù)技術(shù)，示范工程滿足指標(biāo)要求，但未進(jìn)行外場(chǎng)試驗(yàn)。文獻(xiàn)[13]基于5G組網(wǎng)的電網(wǎng)業(yè)務(wù)外場(chǎng)試驗(yàn)環(huán)境，驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)時(shí)延及抖動(dòng)對(duì)差動(dòng)保護(hù)的影響。文獻(xiàn)[14]基于5G通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)差動(dòng)保護(hù)裝置間數(shù)據(jù)傳輸，依據(jù)配電網(wǎng)拓?fù)渥兓瘎?dòng)態(tài)調(diào)整差動(dòng)保護(hù)配置，達(dá)到降本增效的目的。文獻(xiàn)[15]采用NSA架構(gòu)的5G網(wǎng)絡(luò)適合現(xiàn)階段智能電網(wǎng)應(yīng)用，可滿足智能電網(wǎng)輸電、變電、配電及用電各環(huán)節(jié)差異化業(yè)務(wù)需求。但是，在針對(duì)NSA、SA組網(wǎng)方式下的指標(biāo)數(shù)據(jù)測(cè)試，尤其是外場(chǎng)試驗(yàn)的應(yīng)用研究方面，相關(guān)文獻(xiàn)資料比較少見。5G縱差保護(hù)應(yīng)用面臨的諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，如5G電力物聯(lián)網(wǎng)[16-18]、通信技術(shù)[19-20]、傳輸資源需求等方面[21-24]。鑒于5G網(wǎng)絡(luò)低時(shí)延、高速率、大容量、高帶寬等優(yōu)點(diǎn)，加快5G技術(shù)應(yīng)用于電力行業(yè)的探索步伐，下面對(duì)“5G+繼電保護(hù)專業(yè)”技術(shù)應(yīng)用方案及外場(chǎng)試點(diǎn)測(cè)試取得的成效予以闡述。

1 縱差保護(hù)原理

保護(hù)裝置支持5G通信，可直接與5G無線終端配合，實(shí)現(xiàn)5G差動(dòng)保護(hù)功能。電流差動(dòng)繼電器由比率差動(dòng)繼電器和差動(dòng)聯(lián)跳繼電器兩部分組成。

1.1 比率差動(dòng)繼電器

當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，由電流變化量、相過流元件和零序電流元件組成的啟動(dòng)元件滿足啟動(dòng)條件后，將開放差動(dòng)判據(jù)判別，若保護(hù)裝置的差流和制動(dòng)電流關(guān)系滿足動(dòng)作方程(見式(1)，動(dòng)作曲線見圖1)，則置本側(cè)差動(dòng)允許，且向?qū)?cè)發(fā)送差動(dòng)允許信號(hào)。當(dāng)裝置同時(shí)收到本側(cè)差動(dòng)允許和對(duì)側(cè)差動(dòng)允許信號(hào)，則差動(dòng)保護(hù)可以動(dòng)作。

(1)

式中：φ代表A相、B相、C相；Idφ為差動(dòng)電流，即兩側(cè)電流矢量和的幅值；Irφ為制動(dòng)電流，即兩側(cè)電流矢量差的幅值；IDIF為差動(dòng)動(dòng)作電流定值。

1.2 差動(dòng)聯(lián)跳繼電器

長(zhǎng)距離輸電線路出口經(jīng)高過渡電阻接地時(shí)，近故障側(cè)保護(hù)能立即啟動(dòng)，但由于助增的影響，遠(yuǎn)故障側(cè)可能故障量不明顯而不能啟動(dòng)，差動(dòng)保護(hù)不能快速動(dòng)作。針對(duì)這種情況，裝置設(shè)有差動(dòng)聯(lián)跳繼電器，本側(cè)任何保護(hù)動(dòng)作元件動(dòng)作(如過流保護(hù)、零序保護(hù)等)后立即發(fā)對(duì)應(yīng)相聯(lián)跳信號(hào)給對(duì)側(cè)，對(duì)側(cè)收到聯(lián)跳信號(hào)后，啟動(dòng)保護(hù)裝置，并結(jié)合差動(dòng)允許信號(hào)聯(lián)跳斷路器。

2 應(yīng)用方案

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)主要由5G核心網(wǎng)絡(luò)、線路差動(dòng)保護(hù)裝置、時(shí)鐘同步授時(shí)裝置、數(shù)據(jù)終端、5G通信卡組成，見圖2。兩側(cè)數(shù)據(jù)終端通過5G核心網(wǎng)絡(luò)通信交互數(shù)據(jù)，時(shí)鐘同步授時(shí)裝置對(duì)雙套線路縱差裝置進(jìn)行采樣對(duì)時(shí)，實(shí)現(xiàn)電流數(shù)據(jù)同步采樣實(shí)時(shí)作差。

圖2 5G線路縱差保護(hù)配置架構(gòu)

2.2 通信組網(wǎng)

5G通信卡IP實(shí)現(xiàn)靜態(tài)地址，客戶終端設(shè)備(customer premise equipment,CPE)采用工業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)終端，雙套線路縱差保護(hù)進(jìn)行程序下裝及固化，配置程序見圖3，運(yùn)營(yíng)商搭建5G網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)?？v差保護(hù)裝置可選擇CPU網(wǎng)口3—網(wǎng)口8中的任一口作為5G數(shù)據(jù)接口，通過通信參數(shù)中的[5G數(shù)據(jù)網(wǎng)口號(hào)]參數(shù)指定。將5G數(shù)據(jù)網(wǎng)口同5G終端設(shè)備(CPE)相連，并通過通信參數(shù)中的[5G網(wǎng)口IP地址]設(shè)置該口的IP地址，實(shí)現(xiàn)5G組網(wǎng)通信參數(shù)設(shè)置，見圖4。

圖3 配置文本文件部分程序

圖4 5G組網(wǎng)通信參數(shù)設(shè)置

2.3 聯(lián)機(jī)調(diào)試

雙套線路縱差保護(hù)裝置進(jìn)行通道、零漂、采樣值及開關(guān)量檢查，5G通信正常，裝置無告警信息，零漂值在0.01In(或0.05 V)以內(nèi)。電流、電壓采樣值與實(shí)際加入量的誤差應(yīng)小于±2.5%或±0.01倍額定值，相角誤差小于2°；兩側(cè)聯(lián)調(diào)同步外部采樣，若試驗(yàn)點(diǎn)線路上有實(shí)際負(fù)荷，則可通過CT采樣來驗(yàn)證同步；若試驗(yàn)儀外加模擬量，要求試驗(yàn)儀同步輸出；以上兩點(diǎn)都不能實(shí)現(xiàn)，則裝置無法通過差流或相位的方式來驗(yàn)證同步，只能選擇在一處試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行模擬量試驗(yàn)，比較本地施加量和對(duì)側(cè)接收量驗(yàn)證采樣傳輸?shù)木?，但無法進(jìn)行區(qū)外故障等復(fù)雜測(cè)試。單側(cè)加量相當(dāng)于單側(cè)電源故障試驗(yàn)，受一側(cè)弱饋的影響，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間會(huì)有一定的延遲。單側(cè)縱差調(diào)試接線見圖5。

圖5 單側(cè)縱差調(diào)試接線

3 試點(diǎn)實(shí)例

3.1 試點(diǎn)方案

在試驗(yàn)室環(huán)境下，雙套縱差保護(hù)裝置進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試，見圖6。本次試點(diǎn)110 kV甲站10 kV甲苑線，線路長(zhǎng)度3.1 km，電氣接線方式如圖7所示。

圖6 試驗(yàn)室環(huán)境下5G縱差保護(hù)聯(lián)機(jī)調(diào)試

圖7 試點(diǎn)線路電氣主接線

甲站側(cè)縱差保護(hù)CT采用5A制，考慮正常運(yùn)行安全性、跳閘可靠性，建議該側(cè)裝置掛網(wǎng)試運(yùn)行。采用雙套配置，原裝置正常運(yùn)行，正常動(dòng)作出口跳、合閘斷路器；南苑1號(hào)中心開閉所側(cè)縱差保護(hù)CT采用1A制，考慮其為負(fù)荷終端站，線路保護(hù)裝置只投功能不投跳閘，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察，無合適安裝位置，建議掏屏換型改造，并加裝對(duì)時(shí)裝置。試點(diǎn)安裝地處于干擾區(qū)、盲弱區(qū)，經(jīng)運(yùn)營(yíng)商對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)測(cè)試，試點(diǎn)線路兩側(cè)信號(hào)強(qiáng)度較弱或無5G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)狀態(tài)，本試點(diǎn)采用5G網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)分布式系統(tǒng)以滿足縱差保護(hù)應(yīng)用條件，見圖8。試點(diǎn)裝置運(yùn)維信息遠(yuǎn)程傳送給運(yùn)維中心或主站，快速實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)線路區(qū)段或配電網(wǎng)設(shè)備的故障判斷及準(zhǔn)確定位。

圖8 5G網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)分布式系統(tǒng)

3.2 通道延時(shí)

對(duì)NSA網(wǎng)絡(luò)單模、SA網(wǎng)絡(luò)雙模5G縱差保護(hù)裝置網(wǎng)絡(luò)通道狀態(tài)加以對(duì)比，由表1可知，NSA網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，5G_SV接收通道1平均延遲95.6 ms左右，裝置出現(xiàn)通道異常及網(wǎng)絡(luò)延時(shí)超范圍信號(hào)，不滿足縱差保護(hù)通道延時(shí)應(yīng)用要求；SA網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，5G_SV接收通道1平均延遲11.2 ms，裝置顯示5G通信、差流值和對(duì)時(shí)狀態(tài)正常，SA網(wǎng)絡(luò)平均上、下行帶寬為NSA網(wǎng)絡(luò)的14倍左右。

表1 NSA單模、SA雙模網(wǎng)絡(luò)通道延時(shí)對(duì)比

4 結(jié) 語(yǔ)

探究了“5G+配電網(wǎng)線路縱差保護(hù)”的架構(gòu)與方案，實(shí)現(xiàn)了10 kV配電網(wǎng)線路的試點(diǎn)應(yīng)用。經(jīng)多次測(cè)試驗(yàn)證，SA組網(wǎng)方式具有超低延時(shí)、高帶寬、大容量等特點(diǎn)，適用于5G縱差保護(hù)應(yīng)用條件，擺脫了常規(guī)光纖縱差保護(hù)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光纖敷設(shè)成本及外破可能性。有線光纖載體轉(zhuǎn)型為無線5G通信方式，全面提升了配電網(wǎng)保護(hù)動(dòng)作的選擇性、安全性和供電可靠性。通過5G配電網(wǎng)縱差保護(hù)應(yīng)用指標(biāo)分析，驗(yàn)證了整體系統(tǒng)架構(gòu)的合理性和技術(shù)方案的可行性，為“5G+電力業(yè)務(wù)”技術(shù)的推廣及應(yīng)用提供參考。